[論文レビュー] Grid-Forming and Spatially Distributed Control Design of Dynamic Virtual Power Plants

Verena Häberle, Ali Tayyebi+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2022

Smart Grid Energy Management被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、動的バーチャルパワー・プラント（DVPP）のための新規グリッド・フォーミング制御設計を提案する。適応的で分割統治戦略と動的参加係数を用い、非均質な分散型エネルギー資源（DER）を迅速な周波数・電圧制御に集約する。この手法は、弱いグリッド条件下でも安定したグリッド・フォーミング運転を保証し、グリッド・フォーミングおよびグリッド・フォロwing DERを併せ持つハイブリッドDVPPを可能にする。IEEE 9母線系統のシミュレーションにより、過渡的性能が優れ、パラメータ変動に対してもロバストであることが検証された。

ABSTRACT

We present a novel grid-forming control design approach for dynamic virtual power plants (DVPP). We consider a group of heterogeneous grid-forming distributed energy resources (DER) which collectively provide desired dynamic ancillary services, such as fast frequency and voltage control. To achieve that, we study the nontrivial aggregation of grid-forming DERs to establish the DVPP, and employ an adaptive divide-and-conquer strategy that disaggregates the desired control specifications of the aggregate DVPP via adaptive dynamic participation factors to obtain local desired behaviors of each DER. We then design local controllers at the DER level to realize these local desired behaviors. In the process, physical and engineered limits of each DER are taken into account. We extend the proposed approach to make it also compatible with grid-following DER controls, thereby establishing the concept of so-called hybrid DVPPs. Furthermore, we generalize the DVPP design to spatially dispersed DER locations in power grids with different voltage levels and R/X ratios. Finally, the DVPP control performance is verified via numerical case studies in the IEEE nine-bus transmission grid with an interconnected medium voltage distribution grid.

研究の動機と目的

• 将来の電力系において非同期DERが優勢を占める中で、迅速かつ信頼性の高い動的予備サービスを提供する課題に対処すること。
• グリッド・フォロwing DVPPの限界、例えば剛性グリッドに依存すること、ブラックスタート能力の低さ、弱いグリッド条件下での不安定性を克服すること。
• 非均質なDERの安定的かつ協調的な運転を可能にするグリッド・フォーミングDVPP制御フレームワークを設計すること。この際、個々の装置の制約を尊重すること。
• グリッド・フォーミングおよびグリッド・フォロwing DERを併せ持つハイブリッドDVPP構成にこの手法を拡張し、柔軟性とグリッド・コード適合性を高めること。
• 空間的に分散した、多電圧レベルの電力系において、現実的な動的条件下で制御設計を検証すること。

提案手法

• 時間変動する動的参加係数を有する適応的分割統治戦略を用い、集約的DVPP制御仕様を個々のDERレベルの行動に分解する。
• 各DERにローカルなグリッド・フォーミング制御器を設計し、LPV H∞状態フィードバック制御を用いて望ましいローカルダイナミクスを達成するとともに、物理的および運用上の制限を尊重する。
• 制御信号の因果関係の違いを扱えるように制御設計を拡張することで、グリッド・フォーミングおよびグリッド・フォロwing DERをハイブリッドDVPPフレームワークに統合する。
• 変動するパラメータ（例えば変化する電力容量）に対応するため、線形パrameter変化（LPV）H∞制御合成を適用し、運転条件の変化にわたるロバストネスを確保する。
• 制御器設計には線形化されたコンバータモデルを用い、性能は電磁瞬時（EMT）シミュレーションによる非線形システムで検証する。
• 24母線のIEEE 9母線送電系統と中圧配電系統を統合した多電圧レベルのテストシステムを用いて、アプローチの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非均質なグリッド・フォーミングDERのグループは、剛性グリッドに依存せずに、迅速な周波数および電圧制御を共同で提供するにはどうすればよいか？
• RQ2 個々の装置の制約および動的限界を尊重しながら、グリッド・フォーミングDERの安定的かつ協調的な運転を可能にする制御戦略は何か？
• RQ3 制御設計を、グリッド・フォーミングおよびグリッド・フォロwing DERを併せ持つハイブリッドDVPP構成にどのように拡張できるか？
• RQ4 従来のPIベースの制御器と比較して、提案されたLPV H∞制御器は、追従精度および不整合抑圧においてどのような性能優位性を示すか？
• RQ5 空間的に分散したDER構成、特にR/X比や電圧レベルが異なる条件下で、提案されたDVPP制御はどのように動作するか？

主な発見

• 提案されたグリッド・フォーミングDVPP設計により、剛性グリッドに依存せず、自律的かつ安定した周波数および電圧支援が可能となり、ブラックスタート能力と弱いグリッド下での運転が可能である。
• 適応的動的参加係数戦略により、集約的制御仕様が個々のDERの制限を尊重する実現可能なローカル行動に的確に分解された。
• LPV H∞制御器は、従来のPIベースの制御器に比べて無効電力マッチングの精度と高周波数不整合抑圧性能に優れ、特に容量変動などのパラメータ変動下でも顕著な優位性を示した。
• 中圧配電系統と接続されたIEEE 9母線系統における数値的ケーススタディにより、DVPPが複数の電圧レベルおよびR/X比において迅速かつ協調的な動的予備サービスを提供できることを確認した。
• ハイブリッドDVPPフレームワークにより、グリッド・フォーミングおよびグリッド・フォロwing DERの統合に成功し、多様なグリッド条件下でも柔軟かつロバストな運転が可能となった。
• 制御設計は時間変動するパrameterに対してロバストであり、従来の制御器がゲイン再調整を要するのに対し、LPV H∞制御器は再調整なしに性能を維持した。